降水入渗补给量随地下水埋深变化的实验研究

当 某 一 时 段 （ Ｐ＋Ｉ－ Ｅｔ） ＜０ 时 ， 表 明 这 是 蒸 散 发 时 段 ， 土 壤 储 水量减少的部分形成蒸散发。可以分层计算土壤水减少量 ΔＷｈｉ （ΔＷｈｉ 为负值）。逐层计算某一深度 ｈｉ 的蒸散发量 Ｅｔｈｉ＝－ （ Ｐ＋Ｉ－ Ｅｔ） － ΔＷｈｉ， 可得到各深度向上的蒸散发量。当 Ｅｔｈｉ＝０ 时， ｈｉ 就是这一 时段的最大蒸散发深度。
第⑤栏 是 ０．２ｍ 一 层 的 土 壤 饱 和 储 水 量 与 雨 前 实 测 储 水 量 之差。即分层饱和库容差。冉庄实验站蒸渗仪实测的饱和含水 量为 ３８％（ 体积含水量） ， ０．２ｍ 一层的饱和储水量为 ７６ｍｍ。这样 根据雨前每一层的实测土壤储水量， 可以算得每次雨前相应层 的饱和库容差。
第⑥栏产流量的计算。首先假设某一计算层就是地下水埋 深， 再看进入这一层的可入渗水量是否充满相应的饱和库容 差， 蓄满后多余的水量即为产流量。
如计算 ７ 月 ７ 日的产流量， 首先假设地下水埋深 为 ０．２ｍ， ７ 月 １ 日 的 饱 和 库 容 差 为 ３１．３ｍｍ， 可 入 渗 水 量 为 ２６．９４ｍｍ， 不 能 充满， 即不产流。
收稿日期： ２００６－ １０－ ２５ 作者简介： 李亚峰（ １９６９－ ） ， 男， 河北高碑店， 工程师， 学士， 从事水文水资源工作。
第５期
李亚峰等： 降水入渗补给量随地下水埋深变化的实验研究
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综 合 绘 制 Ｐ（ 降 水 量 ） ～Δ（ 地 下 水 埋 深 ） ～Ｐｒ（ 入 渗 补 给 量 ） 关 系 曲 线。由于实测资料缺乏， 影响因素复杂多变， 确定曲线上这“两个 点”的具体位置是很困难的。我们利用冉庄水资源实验站 ８ｍ 定 埋深大型地中蒸渗仪的试验资料， 根据蓄满产流理论， 采用分层 计算还原分析的方法， 对降水入渗补给量随地下水埋深变化规 律进行研究探讨， 分析最佳埋深和稳定点的存在及其位置， 以供 在实际工作中参考。
２９．３
２３．６
－ １０．８ １６．５４ ３６．４２ １０６．５８
２４．２ １６．６
３１．４
－ ９．１ ８．２４ ２８．６２ １０４．８８
１３．９
３８．６
－ ５．６ １．７４ ２１．４２ １０１．３８
１１．５
４４．３
－ ２．２
０ １５．７２ ９７．９８
１２．５
５０
１．７
１０．０２ ９４．０８
１３．８
降水入渗补给曲线， 从地表开始随深度的增大而增大， 到 最佳埋深处达最大值。以后又随埋深的增加而减小， 到一定深 度趋于稳定（ 图 ２ 中 Ｐｒ～Δ曲线） 。人 们 最 关 心 的 有 两 个 焦 点 ： 一 个是最佳埋深的存在及其位置； 另一个是稳定点的存在及其 位置。
在实际工作中， 是根据不同地下水埋深的降水入渗资料，
这样逐时段逐层循序计算， 即可得到各时段各深度的可入 渗水量和产流量。将一年内各时段同一深度的可入渗量累加， 即 可得到一年的可入渗水量随深度的变化； 同样将一年内各时段 同一深度的产流量累加， 可得到一年的不同深度的产流量。最后 将同一深度的可入渗水量减去相应的产流量 ， 即可得到利用 ８ｍ 定埋深蒸渗仪观测资料分析的降水入渗补给量随地下水埋深变 化曲线。
之差， 可以用库容量随深度变化的累积曲线来表示， 如图 ２ 中 曲线Ⅰ所示， 这是降水入渗补给量随地下水埋深变化的最大极 限值； 另一个条件是入渗水量随地下水埋深变化的沿程损失， 其量等于田间持水量与实际含水量之差， 可以用降水量减去沿 程损失， 即可以入渗水量来表示， 如图 ２ 曲线Ⅱ。降水入渗补给 量受上述两个条件的制约， 当地下水埋深为 ０ 时， 由于没有库 容， 入渗量也为 ０。随着地下水埋深的增大， 入渗补给量沿着Ⅰ 线逐渐增大。当重力水库容与可入渗水量相等时， 即图 ２ 中两 线相交处达最大值， 其相应埋深称最佳埋深。随着埋深增大， 虽 然库容还在增大， 由于受可入渗水量的限制， 入渗量又沿Ⅱ线 逐渐减小， 变化越来越小， 逐渐趋于稳定。
对 蒸 散 发 时 段 （ 当 Ｐ＋Ｉ－ Ｅｔ＜０ 时 ） ， 按 照 上 述 方 法 进 行 计 算 ， 可以得到蒸散发量随深度的变化曲线。
３ 实验结果分析
通过还原计算分析， 求得降水入渗补给量随地下水埋深的 变化。将 １９９３ 年、１９９０ 年和 １９９４ 年以及 ７ 年平均的 Ｐｒ～Δ关系 绘于图 ３。这三年的最佳埋深位置差别较大。１９９３ 年最浅， 不到 １ｍ； １９９０ 年在 １～２ｍ； １９９４ 年出现在 ３ｍ。
例 ３， １９９４ 年 ７ 月 １１～１２ 日 降 水 量 ９７．４ｍｍ，雨 前 ７ 月 １１ 日 实测 １ｍ 以上土 壤 储 水 量 ２９４．６ｍｍ， 接 近 田 持 ， 入 渗 深 度 达 到 ２．６ｍ。
降水入渗补给量随深度的变化取决于包气带的两个条件： 一个是包气带重力水库容， 其量等于饱和含水量与田间持水量
１．４
３７０．３ ４２０．３ ４２２
１．６
４２３．５ ４７９．６ ４８８．２
１．８
４７５．７ ５３５．５ ５５５．５
２．０
５２９．９ ５９１ ６２２．２
２６．９４ ６０．０２ ９５．７８
６．６
－ ５．８ ２５．７４ ５３．４２ １０１．５８ ３１．３ ３０．１
１６
－ ９．５ ２３．８４ ４４．０２ １０５．２８
５６．１
８．６
３．９２ ８７．１８
１６．７
５９．８
２０
０．２２ ７５．７８
２０．１
３１．２
０ ６４．５８
备注： ７ 月 １～７ 日， Ｐ＝４９．９ｍｍ，Ｅｔ＝２２．９６ｍｍ；７ 月 ７～１１ 日， Ｐ＝８９．９ｍｍ，Ｅｔ＝２９．８８ｍｍ；７ 月 １１～１６ 日， Ｐ＝１０２．７ｍｍ，Ｅｔ＝６．９２ｍｍ。
０
０．２ ４４．７ ４５．９ ５２．５ ４６．７
１．２
０．４ ８９．５ ９２．６ １０８．６ ９９．１
３．１
０．６ １３４ １４４．４ １６８ １５７．２ １０．４
０．８ １８０ １９８．７ ２３０．１ ２２１ １８．７
１．０ ２３０．８ ２５６ ２９４．６ ２８９ ２５．２
１．２ ２８６．１ ３１３．８ ３５８．１ ３５５．９ ２７．７
表１ 入渗分层计算表
深度 （ ｍ）
实测土壤储水量（ ｍｍ） ②
土壤水增量（ ｍｍ） ③
可入渗量（ ｍｍ） ④
分层饱和库容差（ ｍｍ） ⑤
产流量（ ｍｍ） ⑥
① ７．１ ７．７ ７．１１ ７．１６ ７．１￣７．７ ７．７￣７．１１ ７．１１￣７．１６ ７．７ ７．１１ ７．１６ ７．１ ７．７ ７．１１ ７．７ ７．１１ ７．１６
随地下水埋深的变化规律。揭示了最佳埋深和稳定点的形成机理。在试验条件下， 最佳埋深出现在 ３ｍ 左右， 降水入渗补给
量随地下水埋深的增大而减小， ６ｍ 以后趋于稳定。
关键词： 入渗补给； 最佳埋深； 稳定点
中图分类号： Ｐ６４１．２
文献标识码： Ａ
文章编号： １０００－ ０８５２（２００７）０５－ ００５８－ ０３
１ 引言
雨水进入田间土壤， 首先被表层土壤吸收， 增大土壤含水 量， 并逐渐向下渗透， 同时也向上蒸散发。土壤含水量越大， 向下 渗透的越深。当土壤毛管悬着水达到最大值时， 称为田间持水量 （ 简称田持） ， 超过田持便形成重力水， 迅速向下入渗。一次降水 的入渗深度， 除了受降水量的影响以外， 还与雨前土壤含水量有 关。图 １ 是三次降水入渗深度的实例。
１９９３ 年 降 水 量 ３９５．０ｍｍ， 属 枯 水 年 ， 最 大 日 降 水 量 ４９．２ｍｍ， ０．４ｍ 处雨前土壤储水量仅为 ６０．４ｍｍ， 显然不能蓄 满 ， 所以最佳埋深最浅。１９９０ 年降水量 ７４８．１ｍｍ， 虽然属于丰水年， 但 由 于 降 水 量 分 散 ， 最 大 日 降 水 量 ６６．９ｍｍ， 最 大 ３ 日 降 水 量 １０７．１ｍｍ， 出现蓄满的机会较少， 最佳埋深较浅。１９９４ 年降水量 大 而 且 集 中 ， 最 大 日 降 水 量 １５９．７ｍｍ， 最 大 ３ 日 降 水 量 １７２．４ｍｍ， 蓄满产流量大， 最佳埋深就大。
２ 实验研究方法
冉庄水资源实验站， 位于太行山前平原的河北省清苑县冉
庄镇， 属于温带大陆性季风气候区， 多 年 平 均 年 降 雨 量 ５００ｍｍ。
实 验 站 设 有 三 个 大 型 地 中 蒸 渗 仪 ， 面 积 均 为 １０ｍ２， 潜 水 埋 深 分
别为 １ｍ、２ｍ 和 ８ｍ。蒸渗仪内为回填亚砂土。每个蒸渗仪埋设着
入渗量的具体计算方法见表 １。根据第②栏的实测土壤储 水量， 可以计算出第③栏两测次之间的土壤水增量。根据土壤 水增量可以计算各不同深度的可入渗量。如 ７ 月 １～７ 日降水量 ４９．９ｍｍ， 减 去 蒸 散 发 量 ２２．９６ｍｍ， 进 入 土 壤 的 可 入 渗 水 量 为 ２６．９４ｍｍ。再减去 ０．２ｍ 深度的土壤水增量 １．２ｍｍ， 通过 ０．２ｍ 深 度的可入渗水量为 ２５．７４ｍｍ。逐层向下计算， 到 １．２ｍ 深度本次 降水这一时段入渗到此为止。
３ 支中子仪测管， 观测土壤含水量， 同一深度由 ３ 支测管中子
仪测得的平均值作为这一深度的测点土壤含水量。蒸渗仪中
还 埋 设 着 负 压 计 ， 用 于 观 测 土 水 势 。 自 １９８７ 年 建 成 以 来 ， 每 年
都 在 种 植 小 麦 、玉 米 的 情 况 下 进 行 试 验 ， 连 续 运 行 １５ 年 ， 资 料
的 水 进 入 土 壤 中 ， 增 大 土 壤 储 水 量 。８ｍ 蒸 渗 仪 全 剖 面 有 ３９ 个
土壤含水量测点， 每 ２０ｃｍ 一层， 分层计算土壤水增量 ΔＷｈｉ。通 过某一深度 ｈｉ 的 入 渗 量 Ｐｒｈｉ＝（ Ｐ＋Ｉ－ Ｅｔ） － ΔＷｈｉ， 逐 层 向 下 计 算 ， 可 得 到 各 个 深 度 的 入 渗 量 。 当 Ｐｒｈｉ＝０ 时 ， ｈｉ 就 是 这 一 时 段 的 最 大 入渗深度。